客運信息交互系統(tǒng)無線通信協(xié)議研究

祝紅光，劉相坤，朱建軍，王元媛

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所， 北京 100081）

鐵路客運資源一直是相對緊張的社會資源，需要合理管理和有效地利用。目前，鐵路客票管理和銷售基本依靠地面以車站為窗口的發(fā)售和預定系統(tǒng)，采用比較單一的固定窗口模式。運行列車上的旅客服務和席位管理與地面得不到及時聯(lián)系，乘務工作基本處于孤立狀態(tài)。車地溝通問題束縛了補票、乘降管理等席位管理及旅客服務工作的開展。因此，運行列車和地面系統(tǒng)需要建立有效的通信信道，基于該通道，建立席位管理和服務管理應用系統(tǒng)，以提高列車席位利用率及車上服務和管理水平。

列車和地面通信受到多方面因素的影響。首先列車和地面必須通過無線移動信道進行通信；并且列車具有地域跨度大的特點；車地應用系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量比較大，且交易流程復雜。基于這些特點，構建滿足廣闊區(qū)域跨度，又穩(wěn)定可靠的通信信道是系統(tǒng)建設的首要任務。

基于現(xiàn)有無線移動物理信道水平和地址分配模式，在系統(tǒng)設計中，需要網(wǎng)絡層控制和應用層控制。網(wǎng)絡層控制策略，降低因為地址指向錯誤導致的丟包率；應用層控制以超時控制和應答協(xié)議保證數(shù)據(jù)信息的完整和交易流程的連貫性。

1 站車通信特點

1.1 復雜通信環(huán)境

一次列車可以跨越多個省市，如果沿途線路地理條件復雜，如山區(qū)、隧道等地理條件，將會影響無線通信的質量。新型高速列車運行速度超過300 km/h，停站時間非常短，很多中間站僅?？? min，致使利用停站時間傳輸數(shù)據(jù)不可行，大部分數(shù)據(jù)需要在列車運行中傳遞。另外，席位信息實時性要求高，超出限售區(qū)間，席位信息就成為失效信息。以上都要求通信協(xié)議層要在任何可以傳遞數(shù)據(jù)的時間區(qū)間內快速交流數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的及時有效。

1.2 對等交互模式

車載終端和地面系統(tǒng)之間的業(yè)務信息是對等交流，即不是簡單的下載數(shù)據(jù)和瀏覽數(shù)據(jù)的通信方式。地面席位信息向列車發(fā)布的同時，列車信息也向地面匯總，這種對等模式區(qū)別于瘦終端系統(tǒng)的非對稱數(shù)據(jù)流模式。

在對等交互模式中，車上終端的指令單元和數(shù)據(jù)單元混合并存。簡短指令型和長篇幅的數(shù)據(jù)型通信單元需要不同的傳遞控制流程。在僅存在指令型通信單元的無線系統(tǒng)中，應用控制協(xié)議會相對簡單。因此，在站車系統(tǒng)中，傳輸控制協(xié)議非常重要。

2 站車交互系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議

2.1 UDP和TCP協(xié)議

無線數(shù)據(jù)通信有兩種協(xié)議可以采用：面向連接的傳輸控制協(xié)議（TCP）和非面向連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。

TCP（Transmission Control Protocol）需要先建立連接，后建立數(shù)據(jù)交流“通道”；數(shù)據(jù)是通過該“通道”進行傳遞；數(shù)據(jù)交流完畢，需要關閉“通道”。數(shù)據(jù)傳輸中，TCP連接是個可靠的數(shù)據(jù)通道，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和順序性。在通道關閉之前，網(wǎng)絡不能中斷。如果出現(xiàn)網(wǎng)絡故障，TCP通道就會中斷，需要再次建立連接。

UDP（User Datagram Protocol）不保持一個固定的“通道”。每一個報文都從源點獨立地發(fā)向目的點。在傳輸過程中，不提供任何傳輸控制。UDP不保證報文到達目的點，也不能保證數(shù)據(jù)報文之間的順序。

2.2 站車系統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議選擇

站車交互系統(tǒng)不是簡單的指令元系統(tǒng)（如短信系統(tǒng)），而是復雜的應用交易系統(tǒng)。交易中存在交互流程。TCP協(xié)議適合站車交易流程。因為建立了TCP連接，交易兩端就可以順序地進行應答對話，一切傳輸控制由TCP完成。

站車系統(tǒng)采用中國移動的GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡為底層傳輸通道。在網(wǎng)絡通道不穩(wěn)定且終端IP動態(tài)變化的情況下，TCP連接會出現(xiàn)頻繁的重建，浪費大量的網(wǎng)絡資源。嚴重時，應用數(shù)據(jù)無法傳送。

UDP協(xié)議是站車交互系統(tǒng)所必須采用的傳輸層協(xié)議。UDP報文直接傳輸應用數(shù)據(jù)，沒有復雜的連接建立過程。在網(wǎng)絡不穩(wěn)定的情況下，能夠實現(xiàn)間斷性數(shù)據(jù)傳輸。UDP每個報文都綁定目的地址，服務端可以通過地址查詢，實現(xiàn)每個UDP報文的目的地址隨終端IP變化而變化。UDP的缺點是沒有傳輸控制能力。傳輸過程中，應用系統(tǒng)要負責控制補傳報文和報文順序。

3 站車通信控制協(xié)議

根據(jù)鐵路客運站車交互系統(tǒng)無線通信的特點，采用UDP網(wǎng)絡協(xié)議。由于UDP協(xié)議是不可靠通信方式，要實現(xiàn)站車交易流程順暢和完整，系統(tǒng)應用層必須具有通信控制協(xié)議。站車系統(tǒng)的通信控制主要體現(xiàn)在“動態(tài)地址查詢”、“指令應答”和“數(shù)據(jù)傳送”方面。

3.1 動態(tài)地址查詢

在無線網(wǎng)絡兩端，終端是動態(tài)地址，信息發(fā)布服務器是固定地址。終端的每次連接都由移動系統(tǒng)在地址段內動態(tài)分配一個IP地址。

移動終端的SIM卡號可以作為移動設備的唯一標示。移動網(wǎng)絡每次都是面向SIM卡分配IP地址，所以SIM卡和IP地址存在固定的對應關系。采用終端占用IP查詢的回應方式，可以降低信息發(fā)布服務器的丟包率。

圖1 查詢IP通信圖

由圖1可見，利用SIM卡和IP地址的對應關系，在回應信息之前，信息發(fā)布服務器先查詢當前該SIM卡所占用IP地址，再發(fā)送回應報文，可以有效提高發(fā)送報文的命中率。

3.2 指令應答

指令報文區(qū)別于數(shù)據(jù)報文。指令報文由指令字和參量構成，所有參量的總字節(jié)長度小于一個站車系統(tǒng)報文長度限制（站車報文長度遠小于UDP報文長度限制）。大于一個報文長度的數(shù)據(jù)需要分成多個報文發(fā)送，屬于“數(shù)據(jù)傳送”形式。

指令單元由來往兩個報文完成。

指令應答中，交易任務的超時控制為“指令超時”，如果指令超時，會在有限次數(shù)重復發(fā)送。指令號是指令報文的唯一標示，接收端接收到相同指令號的指令，采用丟棄后來者方式，以避免重復操作。

指令應答是最簡單，也是最頻繁的報文控制形式。是交易流程實現(xiàn)的最小構成單元。

3.3 數(shù)據(jù)傳送

UDP的報文受到網(wǎng)絡MTU的限制，即1個UDP包大小最好小于MTU。報文可以包含一個完整的命令字，一般數(shù)據(jù)必須先分片，再由多個UDP報文進行傳輸。由于UDP無序且丟失概率高，所以保證數(shù)據(jù)傳送的完整性是重要的應用層協(xié)議環(huán)節(jié)。該協(xié)議包括數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)補充3個環(huán)節(jié)，見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)完整控制

3.3.1 數(shù)據(jù)描述

數(shù)據(jù)描述是在數(shù)據(jù)發(fā)送前的握手指令，數(shù)據(jù)描述中攜帶數(shù)據(jù)描述信息，包括數(shù)據(jù)總大小、分片大小和數(shù)據(jù)發(fā)送標識號。數(shù)據(jù)描述信息是接收端對數(shù)據(jù)完整性的檢測依據(jù)。接收端根據(jù)數(shù)據(jù)描述建立數(shù)據(jù)接收任務，并向發(fā)送端發(fā)送“確認報文”。確認報文中包括終端無線通道的容量信息，指導數(shù)據(jù)推送環(huán)節(jié)的策略實現(xiàn)。

發(fā)送端在數(shù)據(jù)描述指令得到確認后發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)描述報文安全到達，且接收端準備就緒。

3.3.2 數(shù)據(jù)推送

發(fā)送端接收到數(shù)據(jù)描述回應后，進行數(shù)據(jù)發(fā)送。首先，按照數(shù)據(jù)描述中的數(shù)據(jù)分片大小對數(shù)據(jù)分片包裝，然后向接收端發(fā)送。包裝中包括標識號和偏移量。接收端會根據(jù)偏移量重新組合還原數(shù)據(jù)。

為了提高效率，發(fā)送數(shù)據(jù)采用單向推送方式，而不是應答方式。即接收端無需確認每個數(shù)據(jù)報文。發(fā)送端把全部分片發(fā)送到接收端，在無線信號良好的環(huán)境中，數(shù)據(jù)會準確地到達接收端；在信號不穩(wěn)定的情況下，會造成數(shù)據(jù)報文的丟失，需要數(shù)據(jù)補充環(huán)節(jié)來保證數(shù)據(jù)完整。

在服務端向列車終端進行數(shù)據(jù)推送過程中，由于終端接收能力的局限，瞬間大數(shù)據(jù)量會造成接收終端擁塞，致使數(shù)據(jù)報的丟失。服務端會根據(jù)握手時獲取的終端設備信息實施發(fā)送流量控制，避免因超出終端設備接收能力而造成大量數(shù)據(jù)報文丟失。

3.3.3 數(shù)據(jù)完整檢測和數(shù)據(jù)補充

在數(shù)據(jù)推送過程中，接收端每次接收到數(shù)據(jù)報文都檢測數(shù)據(jù)是否完整。一旦完整，就把數(shù)據(jù)提交到應用層；如果不完整，繼續(xù)等待，直到超出數(shù)據(jù)接收時限。

接收端的任務超出數(shù)據(jù)接收時限，數(shù)據(jù)仍然存在缺失，任務進入數(shù)據(jù)補充階段。根據(jù)缺失情況，接收端請求數(shù)據(jù)補發(fā)，發(fā)送端根據(jù)請求補發(fā)數(shù)據(jù)報文，經(jīng)過多次補充過程，最終達到數(shù)據(jù)的完整。

數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)推送和數(shù)據(jù)補充構成一個完整的數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議，結合指令應答，構成基礎的網(wǎng)絡傳輸控制協(xié)議，為站車系統(tǒng)構建了通信信道。

4 結束語

本文針對“鐵路站車無線交互系統(tǒng)”，著重討論了列車與地面的通信條件，系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議比較和選擇，UDP報文的指令和數(shù)據(jù)傳輸控制方式，流量控制和動態(tài)IP查詢。利用以上討論內容，為“鐵路站車無線交互系統(tǒng)”構建了穩(wěn)定的通信信道。